[发明专利]热管式真空管聚光集热系统一维传热数学模型及其应用

说明书

本发明公开热管式真空管聚光集热系统一维传热数学模型及其应用，数学模型的建立包括如下步骤：(A‑1)判断蒸发段传热机理；(A‑2)建立能量平衡方程；(A‑3)建立光学模型；(A‑4)建立蒸发段传热模型；(A‑5)建立冷凝段传热模型；(A‑6)建立热效率和效率模型。本发明的热管式真空管聚光集热系统一维传热数学模型，可用于分析传热流体入口温度、速度、太阳直射辐射强度、环境温度和风速等因素对集热系统热效率和效率的影响；同时可以预测热管内工质的温度，以便确定系统运行时传热流体的入口温度和流速的合理取值范围。

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域。具体地说是热管式真空管聚光集热系统一维传热数学模型及其应用。

背景技术

太阳能有效利用是应对化石能源枯竭、CO₂过量排放导致的温室效应及全球性能源需求量增长等问题的有效解决方法之一。其中，太阳能热利用技术又是太阳能利用的一种重要方式，太阳能热发电、工业加热、空间加热及冷却等都属于太阳能热利用范畴。在太阳能中高温热利用的商业设备中，抛物槽式集热技术较成熟，是近年来学者研究的热点。

目前，商用抛物槽式集热系统的接收器多为单层玻璃套管的真空管线性接收器，在使用中会存在一些问题。例如，由于聚光器对光线的反射和汇聚，接收器周向热流密度分布会不均匀，导致接收器壁面温度和传热流体温度分布都不均匀，直接影响集热系统的传热性能。此外，真空管线性接收器的造价比较高，而且环形区域的真空度难以长时间维持。因此，很多学者对接收器做了改进，并采用试验和理论方法对改进后接收器的传热性能进行了研究。目前，接收器的改进方法大致可分为两种，一是仍然使用真空管接收器，但对局部结构做改进，以提高集热系统的传热性能；二是在中低温利用中以非真空管接收器替代真空管接收器，降低造价。

采用第一种方法对真空管接收器进行局部改进的文献较多。部分学者用非线性接收器代替了线性接收器。Demagh等采用正弦波动的S型金属管代替直管，此时虽然接收器轴向和周向的热流密度都不均匀，但热流密度的最高值降低了，这样就有效改善了壁面局部高温。Wang等设计了对称外凸波纹管接收器，研究表明可以提高接收器传热性能，降低热应力。Bellos等设计了缩扩吸收管，使接收器热效率提高4.55％。Huang等为提高接收器传热性能，设计了有涟漪的金属管。

还有部分学者在接收器的金属管内放入不同结构的插件，通过增加流体流动时的湍动度来提高接收器传热性能。但是，这种设计都是以增大流体流动阻力为代价的。Kumar等在金属管内加入了与轴线有一定夹角的多孔盘式插件，并分析了多孔圆盘、多孔半圆盘在不同放置方式下对传热效果的影响。Ghasemi等加入了多孔的圆环插件，研究了圆环间的距离和圆环内径对传热性能的影响。Mwesigye等加入了直径小于金属管、放置在管中心的多孔圆盘插件，研究了插件直径、间距及与轴线的夹角对传热性能的影响。Reddy等对比了金属管内加纵向肋片和多孔型肋片时的接收器热效率及管内温度分布情况。Reddy等研究了方形、圆形、梯形和三角形多孔肋片接收器的传热性能，结果显示都可以有效提高热效率，其中以梯形的最明显。Mwesigye等加入了与金属管壁面有一定间隙的扭曲片状插件。Song等加入了沿中心细圆柱螺旋旋转的插件。Cheng等在金属管内壁面面向聚光器一侧加了长漩涡插件。Gong等在聚光器一侧加小型柱状阵列插件。Bellos等则加入了纵向内肋片。

由于真空管接收器有造价高、环形区域真空度难以长期维持等问题，一些学者提出在中低温热利用中用非真空管接收器代替真空管接收器。然而，非真空管接收器虽然降低了造价，但玻璃套管与金属管间的对流换热量却增大了，因此接收器的热损失也比较大。针对这个问题，部分学者对非真空管接收器也做了结构改进。Chandra等在非真空管接收器的环形区域上半部分加入热绝缘体，以减小由于空气对流带来的散热损失。